踏光阴而行,初心如磐,使命在肩——清华大学能动系教授韩敏芳

伟大时代呼唤伟大精神,崇高事业需要榜样引领。榜样是一种穿透心扉的力量,是一面永不褪色的旗帜,是一座指引前路的灯塔。作为国家“973计划”固体氧化物燃料电池(SOFC)项目首席科学家、国家重点研发计划固体氧化物燃料电池(SOFC)项目负责人,清华大学能源与动力工程系韩敏芳教授的研究不仅填补了我国SOFC相关领域的多项空白,更是全面开创了SOFC产业在中国发展的新局面。她正以榜样的力量感召新时代的科研逐梦人。

韩敏芳教授近照

科学像一把钥匙,开启上游九天揽星辰、下巡五湖纵云海的梦想,也点亮了无数人的内心“吾将上下而求索”的昂扬斗志。韩敏芳教授自上世纪90年代末开始追踪固体氧化物燃料电池技术,从电池材料开始交叉涉足到能源与动力工程领域。三十多年来,她始终坚守科研报国初心,勇担民族复兴使命,坚信科学和技术是核心战斗力,没有核心技术,就难谈科技强国。因此,她率领团队从基础研究开始,一路披荆斩棘,冲破艰难险阻,攻破固体氧化物燃料电池材料研发、批量制备及产业应用过程中的道道难关,以自主知识产权打通了SOFC“核心材料—电池制备—电堆组件—系统构建”全产业链的核心技术,并实现了实验室技术向中试的转化和最终产业化落地,全产业链上系列产品开始进入商业化应用和示范适用阶段,开启了我国SOFC产业“从0到1”的深刻变革。

燃料电池作为一种电化学反应的发电装置,直接将燃料的化学能转化为电能,转化效率高且无污染,是十分理想的能源利用方式。与传统的燃烧发电相比,固体氧化物燃料电池凭借全固态结构、更高的能量效率、更低的污染物排放以及对氢气、煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,成为通过电化学反应直接发电来替代燃料(煤)燃烧发电的一条重要途径,同时也被广泛运用于航天、航空、水下等多个军事领域。SOFC领域相关技术与产品早已被美、日、德等发达国家列为“国家战略高技术”,不但始终对中国实施技术封锁,并且严格保持着产品“禁运禁售”,是典型的“卡脖子”技术。因此,我国必须也只能走上独立自主研发的道路。

千瓦级SOFC电堆实物

全新的产业、未知的领域以及空白的技术储备,一切工作只能从头开始。由于SOFC具有前沿性、战略性和颠覆性等一系列特点,纵观整条产业链,各个环节都充满着巨大的挑战。“即便再艰难,也要往前冲!”正是心底的那份责任与担当推动着韩敏芳教授不断向前。从基础研究到技术突破,从产业转化到示范应用,她和她的团队成功解决了产业链上一个又一个的难点,真正成为我国SOFC产业的“拓荒者”。如今,越来越多的人参与到这项事业之中,久久为功,她坚信“荒漠”终将变“绿洲”。

清华大学 校领导视察SOFC实验室

SOFC工作运行的核心原理是通过固体氧化物电解质传导氧离子,作为基本发电单元的电池堆则是由数个结构类似三明治一样的薄片组合而成的电池片,每片“三明治”的上下两层分别是阳极和阴极,为多孔氧化物材料,中间一层是电解质材料,要求致密且轻薄。在很长的一段时间内,韩敏芳教授始终潜心研究一种叫氧化锆的特种陶瓷材料在特定条件下传导氧离子的各种性能及制备工艺,为技术的突破和发展奠定基础。

人的发丝直径大约在50至100微米,而SOFC中氧化锆基陶瓷电解质(YSZ)仅有10微米厚。如何在不同温度不同条件下将三层不同材质、不同结构的材料烧结到一起,成品不但要足够薄,尺寸还得大。韩敏芳教授团队经过反复论证,终于突破了这一难题并发明了氧化物陶瓷的三步烧结方法。在低温下(小于1,300℃)实现了薄膜致密化烧结,获得亚微米细晶粒电解质,电导率提高了20%~40%;同时提出了导体晶界空位富集型导电机理模型,揭示了YSZ细晶粒、薄晶界快速传导机制;发明了大尺寸(厚度小于0.5毫米,边长大于110毫米)异质、异构、多层薄膜陶瓷共烧结方法,自主设计了生产线,实现了批量化生产,获得高性能输出和稳定运行。

在攻克了关键材料和电池单元等难题后,还要将它们逐一连接制作成电池堆。首先要把每片金属连接体的表面包裹抗氧化且导电的保护涂层,再选择特种玻璃作为密封和封接材料,将每块“三明治”电池与金属构件依次间隔连接起来。经过数万次的反复试验,韩敏芳教授终于在电池堆层面突破了低膨胀、高温抗氧化金属连接体及导电涂层制备技术和玻璃-陶瓷复合密封材料及高可靠组合封接技术。这些关键材料和技术的研发就用了十几年的时间。

“十年磨一剑,霜刃未曾试”。

燃料电池技术产业链

既要埋头苦干,还有仰望星空。2010年前后,日本、美国等均开始了SOFC发电系统产品在市场上的商业化应用。而中国的SOFC技术还一直停留在大学的实验室了。责任和担当促使韩敏芳教授在2010年开始组建产业化团队,推动成立专业化公司实施中试转化。这也是SOFC领域在中国“第一个吃螃蟹的人”。在韩敏芳教授的感召和社会各方面力量共同支持下,她亲自主持依次完成了上述核心关键技术的中试验证。这从实验室走向市场的第一步,韩敏芳教授用了6年。

年产百万片SOFC单电池批量化生产线

随着中试技术日渐成熟,SOFC相关技术产品的产业化落地转化工作正式启动。2018年,韩敏芳教授又投入到组织研发生产线设计和建设工作中。2019年,国内首条自主知识产权、年产百万片固体氧化物燃料电池材料的自动化生产线在徐州建成,产品性能达到国际领先水平,目前运行时间已超过1万小时,国际燃料电池权威媒体Fuel Cell Works报道指出:“这是中国氢能产业领域自主创新的重大突破。”

行之以躬,不言而信。三十多年来,韩敏芳教授和她的团队以“无我”的坚守,在科学技术的前沿倾注心血,不辞艰辛,不计名利,把青春年华奉献给科研事业;以“大我”的品格,在漫漫征途路上始终保持谦虚谨慎的作风,不断攻克“卡脖子”技术,默默地改变着人们的生活;以“忘我”的精神,在千锤百炼中执着,精益求精,实现突破。实实在在践行着“把自主知识产权产权的成果写在祖国的大地上!”

同时,韩敏芳教授还是一位充满诗情画意的业余诗词爱好者,多次在多种场合以各种方式展现其对生活的热爱和满腔的浪漫情怀!

(供稿:热测研究所滕梓源,审核:李宇红)